黃敏敏，張宜輝,3，周澤友，朱旭東,3＊

1.廈門大學(xué)，濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361102

2.廈門大學(xué)，環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，福建廈門 361102

3.廈門大學(xué)，近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361102

4.福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350025

引 言

紅樹林和鹽沼是重要的濱海藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)[1]，在分布有紅樹林-鹽沼交錯(cuò)區(qū)的濱海濕地，兩者往往存在較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[2]。互花米草自從引進(jìn)我國(guó)后，在沿海的大部分區(qū)域快速蔓延，已經(jīng)入侵了紅樹林的棲息地，因此近年來，互花米草入侵與紅樹林保護(hù)隨之成為研究的熱門課題[3-4]。在沒有人為干預(yù)的情況下，互花米草繁殖能力強(qiáng)，在濱海濕地長(zhǎng)勢(shì)旺盛，展現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的極強(qiáng)適應(yīng)性，加之缺乏天敵干擾，與紅樹林存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，對(duì)濱海濕地的生態(tài)平衡產(chǎn)生威脅，因而研究互花米草的時(shí)空演替規(guī)律對(duì)紅樹林保護(hù)與恢復(fù)具有重要意義。

濱海濕地環(huán)境復(fù)雜，開展野外調(diào)研存在難度，而遙感技術(shù)可以快速有效地獲取現(xiàn)場(chǎng)植被信息。目前廣泛使用的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如Sentinel、Landsat 數(shù)據(jù)，雖然具有長(zhǎng)時(shí)序優(yōu)勢(shì)[5]，可利用光譜特征進(jìn)行指數(shù)計(jì)算，在大尺度的植被監(jiān)測(cè)上具有無法取代的地位[6-8]，但難以滿足在小區(qū)域、樣方尺度上的植被群落演替研究。例如，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所基于1990–2015 年多時(shí)相Landsat數(shù)據(jù)集，提取出中國(guó)沿海的互花米草空間分布，制作了30 m 分辨率的中國(guó)互花米草空間分布數(shù)據(jù)集[9-10]。該衛(wèi)星數(shù)據(jù)集在區(qū)域尺度互花米草入侵研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但因其空間分辨率較低，無法準(zhǔn)確獲得樣方尺度的互花米草擴(kuò)張信息，如互花米草入侵早期的小斑塊擴(kuò)張速率、紅樹林-互花米草交錯(cuò)區(qū)的植被演替細(xì)節(jié)等。

與Sentinel、Landsat 等衛(wèi)星遙感影像相比，無人機(jī)遙感的優(yōu)勢(shì)在于其擁有高分辨率，可以更加快速、及時(shí)、經(jīng)濟(jì)地監(jiān)測(cè)地表動(dòng)態(tài)，并且能夠有效避免云霧干擾，近距離觀察地物及其時(shí)空變化[11]。同時(shí)，由于濱海濕地區(qū)域常有潮汐現(xiàn)象，無人機(jī)也可按潮水漲落情況靈活飛行，數(shù)據(jù)質(zhì)量可控。

本數(shù)據(jù)集包括數(shù)字正射影像圖（DOM）與基于DOM 分類提取出的互花米草空間分布數(shù)據(jù)。DOM在空間上覆蓋了福建漳江口濕地紅樹林-互花米草交錯(cuò)區(qū)，時(shí)間范圍是2013–2022 年，空間分辨率為20 cm。分類提取出的互花米草空間分布數(shù)據(jù)顯示了互花米草的分布位置、范圍及擴(kuò)張趨勢(shì)。本數(shù)據(jù)集可用作紅樹林-互花米草交錯(cuò)區(qū)植被演替研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文從數(shù)據(jù)收集、處理方法、樣本描述、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)價(jià)值等方面對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了說明。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)福建省漳州市漳江口紅樹林國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)（117°24′07″E – 117°30′00″E，23°53′45″N – 23°56′00″N）的漳江口入海處，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏熱冬溫，所在海域的潮汐屬于不規(guī)則半日潮。研究區(qū)擁有中國(guó)北回歸線以北生長(zhǎng)最好的紅樹林天然群落，主要類型有秋茄、白骨壤、桐花樹、木欖等。2013–2022 年期間，互花米草也是此潮間帶的主要物種，與紅樹林形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

圖1 福建漳江口紅樹林-鹽沼交錯(cuò)區(qū)濕地空間位置Figure 1 Spatial location of mangrove-S.alterniflora ecotone within Zhangjiang Estuary, Fujian Province

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

無人機(jī)正射影像數(shù)據(jù)集是通過每年定期進(jìn)行無人機(jī)航拍，獲取研究區(qū)域內(nèi)的多時(shí)相可見光影像，包含紅光、綠光、藍(lán)光波段。航拍前查詢了當(dāng)?shù)氐南揎w高度以及合適的起飛點(diǎn)。每一次無人機(jī)航拍通過篩選天氣、風(fēng)力、潮汐等條件，主要是在多云、低潮、風(fēng)力較小的條件下，對(duì)規(guī)劃好的研究區(qū)域進(jìn)行航拍。飛行時(shí)間從2013 年持續(xù)到2022 年（無人機(jī)和相機(jī)參數(shù)見表1）。

表1 不同年份使用的無人機(jī)和相機(jī)參數(shù)Table 1 Drone and camera parameters in different years

2013 年航線參數(shù)設(shè)置飛行高度：100 m；航向重疊率10%，旁向重疊率12%。2014–2015 年航線參數(shù)設(shè)置飛行高度：140 m；航向重疊率50%，旁向重疊率16%。2016–2022 年航線參數(shù)設(shè)置飛行高度：200 m；航向重疊率80%，旁向重疊率60%。飛行結(jié)束后對(duì)航拍照片進(jìn)行檢查，確保無漏拍情況。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

2016–2022 年拍攝的照片通過Photoscan 軟件（Agisoft LLC, St.Petersburg, Russia）利用動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)攝影三維重建技術(shù)進(jìn)行拼接處理，數(shù)據(jù)采集與處理流程如圖2 所示。2013–2015 年數(shù)據(jù)由于相片重疊率低，則通過Photoshop 軟件進(jìn)行人工拼接獲得研究區(qū)拼接影像。由于十年中使用的無人機(jī)型號(hào)存在差異，分辨率也存在差異，因此將生成的十景覆蓋整個(gè)研究區(qū)的高分辨率拼接影像重采樣為20 cm 分辨率。所有拼接影像均在ArcGIS 10.2（ESRI, Inc., Redlands, California, USA）中先進(jìn)行最大似然法分類，獲取無人機(jī)正射影像分類數(shù)據(jù)，為柵格分類數(shù)據(jù)。將柵格分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)，提取出互花米草空間分布矢量數(shù)據(jù)，再輔以人工數(shù)字化糾正，最終存儲(chǔ)為互花米草空間分布柵格數(shù)據(jù)，可統(tǒng)計(jì)得到互花米草面積的十年變化數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集與處理流程圖Figure 2 The flowchart of data acquisition and processing

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集包括2013–2022 年的無人機(jī)正射影像及提取的互花米草空間分布數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式均為TIF，每年的正射影像數(shù)據(jù)存放在“DOM”文件夾中，總共10 景，數(shù)據(jù)總量1.7GB；提取的互花米草空間分布數(shù)據(jù)存放在“Spartina alternifloradata”文件夾中，總共10 景，數(shù)據(jù)總量10.7MB。

正射影像數(shù)據(jù)命名方式為：“年月-DOM”，其中飛行器帶有網(wǎng)絡(luò)RTK 定位服務(wù)則命名為：“年月-DOM-RTK”，如2022 年6 月的正射影像命名為：“202206-DOM-RTK.tif”。互花米草空間分布數(shù)據(jù)命名方式為：“年月-classified”。正射影像與互花米草空間分布數(shù)據(jù)分辨率均為20 cm，坐標(biāo)系統(tǒng)均為WGS84/UTM zone 50N。不同年份使用的飛行器不同，在定位精度上稍有偏差。數(shù)據(jù)概況如圖3 所示。

圖3 2013–2022 年遙感影像數(shù)據(jù)示意圖Figure 3 Remote sensing image data from 2013 to 2022

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評(píng)估

本數(shù)據(jù)集的質(zhì)量控制主要包括三方面：（1）無人機(jī)航拍結(jié)束后，檢查影像質(zhì)量、影像范圍是否覆蓋整個(gè)研究區(qū)；（2）正射影像色彩校正；（3）早期影像范圍補(bǔ)充，如2013 年影像未覆蓋整個(gè)研究區(qū)，用可獲得的最相近日期的谷歌地球影像進(jìn)行補(bǔ)充。

評(píng)估結(jié)果如下：（1）無人機(jī)影像質(zhì)量滿足要求，每年的數(shù)據(jù)都不存在漏拍情況；（2）影像色彩經(jīng)過校正后，除水面反光之外影像色彩均衡；（3）所有影像的研究區(qū)均保持一致。

在研究區(qū)中對(duì)地物進(jìn)行分類，提取出互花米草這一類別，統(tǒng)計(jì)十年互花米草面積變化，結(jié)果表明近十年來互花米草面積增長(zhǎng)迅速，從獨(dú)立的圓狀獨(dú)立斑塊發(fā)展成帶狀、塊狀的草叢（圖4、圖5）。從時(shí)間序列無人機(jī)影像可以清楚地看出，在紅樹林-鹽沼交錯(cuò)區(qū)域，互花米草入侵到林外光灘后，在互花米草獨(dú)立斑塊迅速擴(kuò)大的同時(shí)紅樹林也往外擴(kuò)散，形成了紅樹林與互花米草共生的潮間帶濕地（圖6）。

圖4 2013–2022 年互花米草時(shí)空分布格局Figure 4 The spatial and temporal distribution of S.alterniflora from 2013 to 2022

圖5 2013–2022 年互花米草面積變化Figure 5 Annual changes in the area of S.alterniflora from 2013 to 2022

圖6 研究區(qū)景觀與典型區(qū)互花米草演變序列Figure 6 Landscape of study area and spatial evolution of S.alterniflora of a typical area

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

高精度的長(zhǎng)時(shí)序遙感影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)植被演替細(xì)節(jié)研究極其重要。本研究區(qū)為紅樹林-互花米草交錯(cuò)區(qū)，自2013 年起，對(duì)互花米草進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序的高精度監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)了高分辨率的無人機(jī)正射遙感影像數(shù)據(jù)集，可以獲取較為完整的無人為干預(yù)下的互花米草自然擴(kuò)張狀況（如互花米草在早期擴(kuò)張階段時(shí)獨(dú)立斑塊直徑擴(kuò)張速率[12]、綠度、面積變化等），也可獲取紅樹林在互花米草入侵下的生長(zhǎng)情況（如面積、數(shù)量、樹冠周長(zhǎng)、樹冠面積變化等）。本數(shù)據(jù)集在濱海濕地植被監(jiān)測(cè)[13]、紅樹林監(jiān)測(cè)[14]、生物量反演[15-16]、地物分類[17]等領(lǐng)域也具有應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也可與衛(wèi)星數(shù)據(jù)互補(bǔ)，作為衛(wèi)星數(shù)據(jù)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的不足。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集均為TIF 格式，方便直接瀏覽、快速定位感興趣區(qū)，也可使用ArcGIS 等軟件進(jìn)行進(jìn)一步可視化分析。

致 謝

感謝漳江口紅樹林國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局給予的大力支持。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

黃敏敏（1997—），女，福建福州人，碩士研究生，研究方向?yàn)闉I海濕地遙感研究。主要承擔(dān)工作：遙感數(shù)據(jù)收集與處理、數(shù)據(jù)生產(chǎn)、論文撰寫。

張宜輝（1975—），男，福建寧德人，博士，教授，研究方向?yàn)闈竦厣鷳B(tài)學(xué)、生物入侵生態(tài)學(xué)等。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)處理分析與論文撰寫指導(dǎo)。

周澤友（1993—），男，湖北黃石人，博士，研究方向?yàn)榛谛l(wèi)星遙感和無人機(jī)的碳達(dá)峰碳中和研究。主要承擔(dān)工作：遙感數(shù)據(jù)集收集與處理、數(shù)據(jù)分析討論。

朱旭東（1985—），男，福建福州人，博士，副教授，研究方向?yàn)楹０稁鷳B(tài)遙感、濕地碳循環(huán)等。主要承擔(dān)工作：研究思路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、論文修改。